JPH05133725A - 表面形状測定装置 - Google Patents
表面形状測定装置Info
- Publication number
- JPH05133725A JPH05133725A JP30045991A JP30045991A JPH05133725A JP H05133725 A JPH05133725 A JP H05133725A JP 30045991 A JP30045991 A JP 30045991A JP 30045991 A JP30045991 A JP 30045991A JP H05133725 A JPH05133725 A JP H05133725A
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- phase
- measuring
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 被測定物の高さ方向の凹凸の測定範囲が広
く、面の計測ができる表面形状測定装置を得ること。 【構成】 ２波長光による移動干渉縞を被測定物４に投
光する干渉投光手段１と、被測定物４に投光された移動
干渉縞を投光角と異なる角度から観測する光検出手段２
と、この光検出手段２によって検出された被測定物の各
点の光強度変化の位相を測定する位相測定手段３を設け
たもの。
く、面の計測ができる表面形状測定装置を得ること。 【構成】 ２波長光による移動干渉縞を被測定物４に投
光する干渉投光手段１と、被測定物４に投光された移動
干渉縞を投光角と異なる角度から観測する光検出手段２
と、この光検出手段２によって検出された被測定物の各
点の光強度変化の位相を測定する位相測定手段３を設け
たもの。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、物体の表面形状を計測
する装置に関する。
する装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】光切断法による従来の形状測定法を図７
に示す。投光器５から扇状の光を被測定物４に投光し、
投光角度と異なる角度から受光器６で反射光を観測す
る。ここで得られる画像は図示のもので、画像中の反射
光による輝線の上下の位置が、被測定物の凹凸を表す。
この方法で、扇状光が当たった部分のみの凹凸情報しか
得られないので、被測定物の面の凹凸情報を得るには、
扇状光を被測定物の端から端まで走査して、それに応じ
たすべての画像を撮像しなければならない。
に示す。投光器５から扇状の光を被測定物４に投光し、
投光角度と異なる角度から受光器６で反射光を観測す
る。ここで得られる画像は図示のもので、画像中の反射
光による輝線の上下の位置が、被測定物の凹凸を表す。
この方法で、扇状光が当たった部分のみの凹凸情報しか
得られないので、被測定物の面の凹凸情報を得るには、
扇状光を被測定物の端から端まで走査して、それに応じ
たすべての画像を撮像しなければならない。
【０００３】受光器６は、図８に示すように、レンズ60
および光検出器61より成る。高さ方向の測定レンジは、
レンズ60と光検出器61によって制限され、ＢからＣの範
囲である。よって、表面の微小な凹凸を測定したい被測
定物が傾いていた場合、全面の測定は不可能となる。ま
た、光検出器61の位置分解能を変えずに、ＢからＣの測
定範囲を広げた場合、測定する凹凸分解能が悪化する。
および光検出器61より成る。高さ方向の測定レンジは、
レンズ60と光検出器61によって制限され、ＢからＣの範
囲である。よって、表面の微小な凹凸を測定したい被測
定物が傾いていた場合、全面の測定は不可能となる。ま
た、光検出器61の位置分解能を変えずに、ＢからＣの測
定範囲を広げた場合、測定する凹凸分解能が悪化する。
【０００４】また、干渉による従来の形状測定法として
図９に示す構成がある。この干渉による形状測定では、
面の凹凸情報が一度に得られることと、高さ方向の測定
範囲が広いことが特徴である。干渉測定に用いられるレ
ーザ15の波長は１μｍ前後なので、被測定物の凹凸が0.
5 μｍ程度で干渉縞が現れることになる。このとき、光
検出器８の隣合わせの画素の間で、被測定物４の凹凸の
差が0.5 μｍを越えると、干渉縞の計測ができなくな
り、表面凹凸を計測することができない。
図９に示す構成がある。この干渉による形状測定では、
面の凹凸情報が一度に得られることと、高さ方向の測定
範囲が広いことが特徴である。干渉測定に用いられるレ
ーザ15の波長は１μｍ前後なので、被測定物の凹凸が0.
5 μｍ程度で干渉縞が現れることになる。このとき、光
検出器８の隣合わせの画素の間で、被測定物４の凹凸の
差が0.5 μｍを越えると、干渉縞の計測ができなくな
り、表面凹凸を計測することができない。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】以上のように、光切断
法による形状測定では、一度に面の測定ができず、高さ
方向の測定範囲が狭い。また、干渉による測定では、被
測定物に0.5 μｍ以上の段差がある場合に測定できな
い。そこで、本発明は、被測定物の高さ方向の凹凸の測
定範囲が広く、面の計測ができる表面形状測定装置を提
供することを目的とする。
法による形状測定では、一度に面の測定ができず、高さ
方向の測定範囲が狭い。また、干渉による測定では、被
測定物に0.5 μｍ以上の段差がある場合に測定できな
い。そこで、本発明は、被測定物の高さ方向の凹凸の測
定範囲が広く、面の計測ができる表面形状測定装置を提
供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、図１(a) に示すように２波長光による移
動干渉縞を被測定物４に投光する干渉投光手段１と、被
測定物４に投光された移動干渉縞を投光角と異なる角度
から観測する光検出手段２と、この光検出手段２によっ
て検出された被測定物の各点の光強度変化の位相を測定
する位相測定手段３を設ける。
に、本発明は、図１(a) に示すように２波長光による移
動干渉縞を被測定物４に投光する干渉投光手段１と、被
測定物４に投光された移動干渉縞を投光角と異なる角度
から観測する光検出手段２と、この光検出手段２によっ
て検出された被測定物の各点の光強度変化の位相を測定
する位相測定手段３を設ける。
【０００７】
【作用】上記構成において、干渉投光手段１からは、移
動干渉縞Ｃが被測定物に投光される。干渉縞は、２光波
の差の周期（以後ヘテロダイン周期と呼ぶ）で、１縞分
移動する。光検出手段２で観測される画像図１(b) は、
光切断法で複数の扇状光を投光したものと似た画像で、
この干渉縞はヘテロダイン周期で移動する。画像中の一
点に着目したとき、その点の強度変化は、ヘテロダイン
周期の正弦波となる。投光角と受光角が異なるので、被
測定物の表面の凹凸は画像中の各点の強度変化の位相と
して検出することができる。
動干渉縞Ｃが被測定物に投光される。干渉縞は、２光波
の差の周期（以後ヘテロダイン周期と呼ぶ）で、１縞分
移動する。光検出手段２で観測される画像図１(b) は、
光切断法で複数の扇状光を投光したものと似た画像で、
この干渉縞はヘテロダイン周期で移動する。画像中の一
点に着目したとき、その点の強度変化は、ヘテロダイン
周期の正弦波となる。投光角と受光角が異なるので、被
測定物の表面の凹凸は画像中の各点の強度変化の位相と
して検出することができる。
【０００８】
【実施例】本発明の表面形状測定装置の基本構成は図１
に示す通りであるが、先ず、干渉投光手段１によって投
光する移動干渉縞の空間光強度分布を示す図２を用い
て、観測画像の光強度変化から被測定物の凹凸を求める
方法を示す。図２の太線が干渉縞を示している。
に示す通りであるが、先ず、干渉投光手段１によって投
光する移動干渉縞の空間光強度分布を示す図２を用い
て、観測画像の光強度変化から被測定物の凹凸を求める
方法を示す。図２の太線が干渉縞を示している。
【０００９】光検出手段２の光軸はｚ軸と平行とする。
これによっても一般性は失われない。光波Ｂ１は、角周
波数ω1 でｚ軸に対してθ1 傾けて投光する。また、光
波Ｂ２は、角周波数ω2 でｚ軸に対してθ2 傾けて投光
する。 ω2 −ω1 ＜＜ω1 であるので、Ｂ１，Ｂ２の波長は共にλで表す。光波Ｂ
１とＢ２の光強度をａ1 ，ａ2 とすると、その電界は、 ＥB1（ｘ，ｙ，ｚ，ｔ）＝ａ1 exp ｉ｛ω1 ｔ＋φ1 ( ｘ，ｙ，ｚ) ｝ ＥB2（ｘ，ｙ，ｚ，ｔ）＝ａ2 exp ｉ｛ω2 ｔ＋φ2 ( ｘ，ｙ，ｚ) ｝…(1) ただし、 となる。Ｂ１とＢ２による干渉縞の光強度は Ｉ（ｘ，ｙ，ｚ，ｔ）＝｜ＥB1＋ＥB2｜２ ＝｜ＥB1｜2 ＋｜ＥB1｜2 ＋２ａ1 ａ2 cos ｛( ω2 −ω1 ）ｔ＋（φ2 −φ1 ) ｝ …(2) である。即ち、ｘ，ｙ，ｚ点における光強度の位相は、 ψ＝φ2 −φ1 で与えるられる。
これによっても一般性は失われない。光波Ｂ１は、角周
波数ω1 でｚ軸に対してθ1 傾けて投光する。また、光
波Ｂ２は、角周波数ω2 でｚ軸に対してθ2 傾けて投光
する。 ω2 −ω1 ＜＜ω1 であるので、Ｂ１，Ｂ２の波長は共にλで表す。光波Ｂ
１とＢ２の光強度をａ1 ，ａ2 とすると、その電界は、 ＥB1（ｘ，ｙ，ｚ，ｔ）＝ａ1 exp ｉ｛ω1 ｔ＋φ1 ( ｘ，ｙ，ｚ) ｝ ＥB2（ｘ，ｙ，ｚ，ｔ）＝ａ2 exp ｉ｛ω2 ｔ＋φ2 ( ｘ，ｙ，ｚ) ｝…(1) ただし、 となる。Ｂ１とＢ２による干渉縞の光強度は Ｉ（ｘ，ｙ，ｚ，ｔ）＝｜ＥB1＋ＥB2｜２ ＝｜ＥB1｜2 ＋｜ＥB1｜2 ＋２ａ1 ａ2 cos ｛( ω2 −ω1 ）ｔ＋（φ2 −φ1 ) ｝ …(2) である。即ち、ｘ，ｙ，ｚ点における光強度の位相は、 ψ＝φ2 −φ1 で与えるられる。
【００１０】光検出手段２では、光軸がｚ軸と平行なの
で、被測定物のｚ座標にかかわらず、ｘ，ｙ点の反射光
強度変化を得ることができる。すなわち、被測定物の表
面の座標ｘ，ｙ点の高さを求めるためには、その点の光
強度変化の位相を求めて、式(3) によりｚ座標を求めれ
ばよい。また、式(3) からわかるように、光強度の位相
とｚ値は線形関係である。
で、被測定物のｚ座標にかかわらず、ｘ，ｙ点の反射光
強度変化を得ることができる。すなわち、被測定物の表
面の座標ｘ，ｙ点の高さを求めるためには、その点の光
強度変化の位相を求めて、式(3) によりｚ座標を求めれ
ばよい。また、式(3) からわかるように、光強度の位相
とｚ値は線形関係である。
【００１１】また、高さ方向の測定範囲は、移動干渉縞
と光検出手段の光束が交わる部分なので、移動干渉縞を
ｚ方向に幅広く生成すればその分だけ測定できることに
なる。
と光検出手段の光束が交わる部分なので、移動干渉縞を
ｚ方向に幅広く生成すればその分だけ測定できることに
なる。
【００１２】干渉投光手段１の具体的構成例を図３に示
す。２波長レーザ10は、偏光面が90°異なるコヒーレン
トな２波長の光波を発生する。これを、ビームエクスパ
ンダ11によりビーム径を拡大し、偏光ビームスプリッタ
12によって１つの光波Ｂ１だけ反射させる。透過したも
う一方の光波Ｂ２はミラー13によって、光波Ｂ１と微小
角で交わらせる。この角度は、測定分解能および式(3)
により必要な角度を設定する。交わった光波は偏光面が
異なるので、偏光板14によって干渉縞を生成する。
す。２波長レーザ10は、偏光面が90°異なるコヒーレン
トな２波長の光波を発生する。これを、ビームエクスパ
ンダ11によりビーム径を拡大し、偏光ビームスプリッタ
12によって１つの光波Ｂ１だけ反射させる。透過したも
う一方の光波Ｂ２はミラー13によって、光波Ｂ１と微小
角で交わらせる。この角度は、測定分解能および式(3)
により必要な角度を設定する。交わった光波は偏光面が
異なるので、偏光板14によって干渉縞を生成する。
【００１３】また、干渉投光手段１の他の構成例を図４
に示す。この例の場合は、レーザ15は単波長のものでよ
い。レーザ光はビームスプリッタ16で２分割し、光周波
数シフタ17で光波の周波数を変える。ここで、光周波数
シフタ17Ａと17Ｂの周波数差がヘテロダイン周波数にな
る。これらの光波をビームエクスパンダ11により拡大し
て、ミラー13およびビームスプリッタ16で微小角に交わ
らせ、干渉縞を発生する。
に示す。この例の場合は、レーザ15は単波長のものでよ
い。レーザ光はビームスプリッタ16で２分割し、光周波
数シフタ17で光波の周波数を変える。ここで、光周波数
シフタ17Ａと17Ｂの周波数差がヘテロダイン周波数にな
る。これらの光波をビームエクスパンダ11により拡大し
て、ミラー13およびビームスプリッタ16で微小角に交わ
らせ、干渉縞を発生する。
【００１４】図３の干渉投光手段の構成は部品数が少な
く構成できるという特長があり、図４の干渉手段の構成
はレーザに半導体レーザが使えることで小型化できるこ
とや、光周波数シフタの周波数を選ぶことでヘテロダイ
ン周波数設定の自由度が大きいという特長がある。
く構成できるという特長があり、図４の干渉手段の構成
はレーザに半導体レーザが使えることで小型化できるこ
とや、光周波数シフタの周波数を選ぶことでヘテロダイ
ン周波数設定の自由度が大きいという特長がある。
【００１５】光検出手段２および位相検出手段３の具体
的構成の例を図５に示す。光検出手段２では、レンズ20
により光電検出器21に被測定物４の反射光を集光する。
光電検出器21は、画像を得るためには数多く並べる必要
があるが、ここでは原理説明のため、２個だけ図示す
る。光電検出器21Ａ，21Ｂは、それぞれ被測定物４の
Ａ．Ｂ部分の反射光強度の変化を検出し、信号ＳＡ，Ｓ
Ｂを発生する。信号ＳＡ，ＡＢは、被測定物のＡ，Ｂ部
分の高さ情報を、位相情報として含んでいる。そこで、
位相測定手段３において、零電圧検出器30Ａ，30Ｂでそ
れぞれの信号電圧が負から正に変わるタイミングをとら
えてカウンタ32のスタート／ストップを行い位相を検出
する。これによって、Ａ部分とＢ部分の高低差を測定す
ることができる。
的構成の例を図５に示す。光検出手段２では、レンズ20
により光電検出器21に被測定物４の反射光を集光する。
光電検出器21は、画像を得るためには数多く並べる必要
があるが、ここでは原理説明のため、２個だけ図示す
る。光電検出器21Ａ，21Ｂは、それぞれ被測定物４の
Ａ．Ｂ部分の反射光強度の変化を検出し、信号ＳＡ，Ｓ
Ｂを発生する。信号ＳＡ，ＡＢは、被測定物のＡ，Ｂ部
分の高さ情報を、位相情報として含んでいる。そこで、
位相測定手段３において、零電圧検出器30Ａ，30Ｂでそ
れぞれの信号電圧が負から正に変わるタイミングをとら
えてカウンタ32のスタート／ストップを行い位相を検出
する。これによって、Ａ部分とＢ部分の高低差を測定す
ることができる。
【００１６】また、光検出手段２および位相検出手段３
の他の具体的構成例を図６に示す。この場合は、被測定
物４の反射光はＣＣＤイメージデテクタ22で捕らえる。
ＣＣＤイメージデテクタでは、連続的な強度変化を検出
することはできないので、例えば、ヘテロダイン１周期
に４回画像を取り込む。この４枚の画像のｘ，ｙ点の強
度を Ａ0 （ｘ，ｙ），Ａ1 （ｘ，ｙ），Ａ2 （ｘ，ｙ），Ａ
3 （ｘ，ｙ） とすると、点ｘ，ｙの位相は、 で計算できるので、データ演算器34によって上記位相を
測定し、被測定物の凹凸を計測することができる。
の他の具体的構成例を図６に示す。この場合は、被測定
物４の反射光はＣＣＤイメージデテクタ22で捕らえる。
ＣＣＤイメージデテクタでは、連続的な強度変化を検出
することはできないので、例えば、ヘテロダイン１周期
に４回画像を取り込む。この４枚の画像のｘ，ｙ点の強
度を Ａ0 （ｘ，ｙ），Ａ1 （ｘ，ｙ），Ａ2 （ｘ，ｙ），Ａ
3 （ｘ，ｙ） とすると、点ｘ，ｙの位相は、 で計算できるので、データ演算器34によって上記位相を
測定し、被測定物の凹凸を計測することができる。
【００１７】光検出手段２および位相検出手段３の図５
の構成によれば、光電検出器21の信号を実時間処理して
位相を求めるので高速な測定ができる。また、図６の構
成によれば、ＣＣＤイメージデテクタ22の出力はシリア
ルなのでＡ／Ｄコンバータおよびデータ演算器34は１つ
でよくハードウェアが簡潔となる。
の構成によれば、光電検出器21の信号を実時間処理して
位相を求めるので高速な測定ができる。また、図６の構
成によれば、ＣＣＤイメージデテクタ22の出力はシリア
ルなのでＡ／Ｄコンバータおよびデータ演算器34は１つ
でよくハードウェアが簡潔となる。
【００１８】
【発明の効果】本発明によれば、移動干渉縞を被測定物
に投光することによって、被測定物の各点の反射光の強
度変化の位相を求めることで凹凸が測定できるので、走
査の必要な面の計測が可能である。また、移動干渉縞を
高さ方向に幅広く発生させればその分だけ広い測定範囲
が得られる。
に投光することによって、被測定物の各点の反射光の強
度変化の位相を求めることで凹凸が測定できるので、走
査の必要な面の計測が可能である。また、移動干渉縞を
高さ方向に幅広く発生させればその分だけ広い測定範囲
が得られる。
【図１】本発明の表面形状測定装置の基本構成図および
光測定手段１で観測される画像。
光測定手段１で観測される画像。
【図２】本発明による移動干渉縞を側面から見た図。
【図３】本発明による干渉投光手段１の具体的な構成例
(1) 。
(1) 。
【図４】本発明による干渉投光手段１の具体的な構成例
(2) 。
(2) 。
【図５】本発明による光検出手段２および位相測定手段
３の具体的構成例(1) 。
３の具体的構成例(1) 。
【図６】本発明による光検出手段２および位相測定手段
３の具体的構成例(2) 。
３の具体的構成例(2) 。
【図７】光切断法による従来の形状測定法を示す図。
【図８】光切断法の原理を示す図。
【図９】干渉による従来の形状測定法を示す図。
１…干渉投光手段、 ２…光検出手段 ３…位相測定手段、 ４…被測定物、10…２波長
レーザ、11…ビームエクスパンダ、12…偏光ビームスプ
リッタ、13…ミラー、14…偏光波、 15…
単波長レーザ、16…ビームスプリッタ、 17…光周波
数シフタ、18…アパーチャ、 20…レンズ、21…
光電検出器、22…ＣＣＤイメージデテクタ、30…零電圧
検出器、 31…パルス発生器、32…カウンタ、
33…Ａ／Ｄコンバータ、34…データ演算器、
Ｂ１，Ｂ２…光波、Ｃ…移動干渉縞。
レーザ、11…ビームエクスパンダ、12…偏光ビームスプ
リッタ、13…ミラー、14…偏光波、 15…
単波長レーザ、16…ビームスプリッタ、 17…光周波
数シフタ、18…アパーチャ、 20…レンズ、21…
光電検出器、22…ＣＣＤイメージデテクタ、30…零電圧
検出器、 31…パルス発生器、32…カウンタ、
33…Ａ／Ｄコンバータ、34…データ演算器、
Ｂ１，Ｂ２…光波、Ｃ…移動干渉縞。
Claims (1)
- 【請求項１】 ２波長光による移動干渉縞を被測定物に
投光する干渉投光手段と、前記被測定物に投光された移
動干渉縞を投光角と異なる角度から観測する光検出手段
と、前記光検出手段によって検出された被測定物の各点
の光強度変化の位相を測定する位相測定手段を設け、被
測定物の各点の光強度変化の位相によって各々の凹凸を
測定することを特徴とする表面形状測定装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP30045991A JPH05133725A (ja) | 1991-11-15 | 1991-11-15 | 表面形状測定装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP30045991A JPH05133725A (ja) | 1991-11-15 | 1991-11-15 | 表面形状測定装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH05133725A true JPH05133725A (ja) | 1993-05-28 |
Family
ID=17885052
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP30045991A Pending JPH05133725A (ja) | 1991-11-15 | 1991-11-15 | 表面形状測定装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH05133725A (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101112143B1 (ko) * | 2011-12-21 | 2012-02-14 | 부산대학교 산학협력단 | 부분 반사를 이용한 측정 시스템 |
| KR101112144B1 (ko) * | 2009-12-30 | 2012-02-14 | 부산대학교 산학협력단 | 부분 반사를 이용한 간섭 시스템 및 측정 시스템 |
-
1991
- 1991-11-15 JP JP30045991A patent/JPH05133725A/ja active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101112144B1 (ko) * | 2009-12-30 | 2012-02-14 | 부산대학교 산학협력단 | 부분 반사를 이용한 간섭 시스템 및 측정 시스템 |
| KR101112143B1 (ko) * | 2011-12-21 | 2012-02-14 | 부산대학교 산학협력단 | 부분 반사를 이용한 측정 시스템 |
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